數(shù)字土壤制圖 土壤屬性預測性制圖規(guī)范 編制說明

《數(shù)字土壤制圖土壤屬性預測性制圖規(guī)范》DigitalSoilMapping–PredictiveMappingSpecificationforSoilProperties（征求意見稿）21工作簡況 1.1編制背景及意義（數(shù)字土壤制圖的背景） 31.2任務(wù)來源31.3工作過程 41.3.1成立標準編制組 41.3.2起草及試驗階段 41.4主要參加單位和工作組成員及其分工 42標準編制原則和主要內(nèi)容 2.1基本原則 52.2國內(nèi)外標準分析 52.3主要內(nèi)容 52.4方法的驗證 52.4.1驗證方案 52.4.2驗證樣品的選擇 62.4.3預測精度 73標準中涉及專利的情況 4預期達到的社會效益等情況 5采用國際標準和國外先進標準的情況 6與現(xiàn)行法律、法規(guī)、標準的協(xié)調(diào)性 7重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù) 8標準性質(zhì)的建議說明 9對標準貫徹的建議 10其他應(yīng)于說明的事項 11參考文獻 31工作簡況1.1編制背景及意義（數(shù)字土壤制圖的背景）土壤類型和屬性的空間分布信息是生態(tài)水文模擬、全球變化研究、資源環(huán)境管理所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，制圖是對土壤空間分布信息獲取和表達的有效方式。過去，土壤專家通過野外調(diào)查在腦海中形成土壤—景觀模型，以多邊形為基本表達方式，以手工勾繪為基本技術(shù)，依據(jù)地形圖、航空像片或衛(wèi)星像片進行土壤制圖。近30年來，隨著地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘和地表數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字土壤制圖成為一種新興的、高效表達土壤空間分布的方法數(shù)字土壤制圖反映的是土壤的空間分布特征和規(guī)律，土壤的空間分布是土壤形成與發(fā)展過程的體現(xiàn)，因而，數(shù)字土壤制圖的第一個理論基礎(chǔ)是土壤成土因子學說。數(shù)字土壤制圖是以土壤—景觀模型為理論基礎(chǔ)，以空間分析和數(shù)學方法為技術(shù)手段的土壤調(diào)查與制圖方法，是有別于傳統(tǒng)土壤調(diào)查與制圖技術(shù)的現(xiàn)代化技術(shù)體系。其實現(xiàn)過程主要是根據(jù)與土壤發(fā)生相關(guān)的或與土壤具有協(xié)同空間變化的地理環(huán)境數(shù)據(jù)以及土壤屬性數(shù)據(jù)，生成數(shù)字格式的土壤圖，或者根據(jù)土壤屬性空間分布的自相關(guān)特征，應(yīng)用地統(tǒng)計的方法來推測土壤的空間分布，形成土壤圖。以這種方式生成的土壤圖通常利用柵格的方式來表達土壤空間變化，從而可以更詳細地表達土壤的空間變化。另外科技部國際合作專項“全球數(shù)字土壤制圖東亞區(qū)合作研究國家重點研發(fā)計劃”、科技部科技基礎(chǔ)性工作專項“我國土系調(diào)查與《中國土系志》編制”和“我國土系調(diào)查與《中國土系志（中西部卷）》編制”以及國家自然科學基金項目“黑河流域關(guān)鍵土壤屬性數(shù)字制圖研究”等國家級重點專項，也需要數(shù)字土壤制圖等關(guān)鍵技術(shù)的支撐。數(shù)字土壤制圖強調(diào)土壤屬性的空間分布特征，通過地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，可以精確地展示土壤類型、性質(zhì)在地理空間上的分布情況。傳統(tǒng)的土壤制圖往往依賴于定性描述，而數(shù)字土壤制圖則更多地采用定量方法，通過數(shù)據(jù)分析來預測和描述土壤屬性，整合了土壤學、地理學、生態(tài)學、遙感科學等多個學科的知識和技術(shù)，利用各種預測模型，如土壤發(fā)生模型、空間插值模型等，來預測未采樣區(qū)域的土壤屬性。通過數(shù)字土壤制圖，可以更準確地掌握土壤資源的分布狀況，為農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、土地資源合理利用提供科學依據(jù)。規(guī)范我國土壤預測屬性制圖，為我國土壤屬性研究的數(shù)據(jù)與國際互認提供有利條件。1.2任務(wù)來源2023年12月14日國家市場監(jiān)督管理總局標準技術(shù)管理司發(fā)布了《國家標準化管理委員會關(guān)于下達2023年第四批推薦性國家標準計劃的通知》（國標委發(fā)(2023)63號其中《數(shù)字土壤制圖土壤屬性預測性制圖規(guī)范》獲得批準成為2023年第四批國家標準制訂計劃項目，計劃編號20232408-T-326，主管部門4為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部，技術(shù)歸口單位為全國土壤質(zhì)量標準化技術(shù)委員會，主要起草單位：中國科學院南京土壤研究所、浙江大學、南京師范大學，中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所等。1.3工作過程1.3.1成立標準編制組2023年1月簽訂立項計劃書后，項目承擔單位立即成立了標準編制組，由項目負責人擔任編制組組長，集合中國科學院南京土壤研究所、浙江大學、南京師范大學，中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所各單位相關(guān)骨干人員，對該項目進行人員分配和責任分工，并完成了任務(wù)書和合同書的填報，編制組成員中包括有分析工作經(jīng)驗和標準修訂制工作經(jīng)驗的同志。1.3.2起草及試驗階段2022年3月，按下達的《國家標準化管理委員會關(guān)于下達2023年第四批推薦性國家標準計劃的通知》，標準編制組根據(jù)收集的資料修改和完善預研階段的標準草案，形成工作組討論稿初稿。2022年5月，組織標準起草各單位在南京舉辦標準啟動會，統(tǒng)一試驗條件，落實試驗細節(jié)，切實分配各階段各單位負責的任務(wù)與工作。2022年6月至2022年9月，中國科學院南京土壤研究所在調(diào)查全國各地區(qū)、各種類土壤的前提下，開始選取樣區(qū)進行數(shù)字土壤制圖實驗。2022年10月，任務(wù)啟動會在線上舉行，會議決定將驗證試驗、預測結(jié)果發(fā)給各起草單位進行第一輪驗證試驗。2023年3月，收集第一批驗證數(shù)據(jù)，并總結(jié)試驗中發(fā)現(xiàn)問題，起草單位在充分交流后，對工作組討論稿進行修改，隨后編制組展開第二輪驗證試驗，驗證單位包括：中國科學院南京土壤研究所、浙江大學、南京師范大學，中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所。2023年3月至7月工作組通過比對試驗的預測結(jié)果和試驗期間收集到的各參加單位的反饋信息，對工作組討論稿初稿細節(jié)進行線上討論和優(yōu)化。2023年8月，根據(jù)研討會形成的結(jié)論修改了《數(shù)字土壤制圖土壤屬性預測性制圖規(guī)范》工作組討論稿和編制說明，重點對討論稿的格式、語言和標點符號進行編輯性修改，對編制說明的格式和內(nèi)容進行了調(diào)整與修改，形成了《數(shù)字土壤制圖土壤屬性預測性制圖規(guī)范》征求意見稿和編制說明。2023年10月，起草組將《數(shù)字土壤制圖土壤屬性預測性制圖規(guī)范》征求意見稿和編制說明提交全國土壤質(zhì)量標準化技術(shù)委員會審定。1.4主要參加單位和工作組成員及其分工本標準由中國科學院南京土壤研究所、浙江大學、南京師范大學，中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)5劃研究所，江蘇省質(zhì)量和標準化研究院等單位共同起草。主要成員為張甘霖、宋效東、劉峰、趙玉國、史舟、朱阿興、潘賢章、張維理、徐愛國、管旭琳等。張甘霖、宋效東為主要起草人，負責方案制定技術(shù)參數(shù)確定以及標準條款編寫等工作。2標準編制原則和主要內(nèi)容2.1基本原則土壤發(fā)生原則：土壤是成土環(huán)境因素在時間上長期交互作用的產(chǎn)物。土壤制圖過程應(yīng)貫徹土壤發(fā)生原則，應(yīng)從發(fā)生學出發(fā)，在研究土壤及其與成土環(huán)境因素之間發(fā)生關(guān)系的基礎(chǔ)上推測土壤分布；反過來，推測得到的土壤分布應(yīng)反映這種發(fā)生關(guān)系?？茖W性、知識性和實用性：土壤圖既要反映自然規(guī)律、人為作用，要表現(xiàn)出成土因素的作用和土壤地理分布規(guī)律，有助于讀圖者獲取土壤分異及其與環(huán)境關(guān)系的知識，又要面向?qū)嶋H的生產(chǎn)、管理和應(yīng)用。2.2國內(nèi)外標準分析目前關(guān)于數(shù)字土壤制圖國內(nèi)外還缺少嚴格的標準。目前只有全球土壤數(shù)字制圖計劃（GSM整體方案由數(shù)字土壤制圖、土壤管理建議和對終端用戶的服務(wù)三部分組成，計劃用5年左右時間，采用現(xiàn)代土壤地理學、遙感、地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘等理論和方法，完成一份基于互聯(lián)網(wǎng)的、可以反映全球土壤屬性的高分辨率的三維網(wǎng)格數(shù)字土壤地圖。這個全新的全球土壤數(shù)字地圖還將輔以土壤解譯和土壤功能評價，幫助使用者在土壤管理問題上做出科學決策，如農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、應(yīng)對氣候變化和環(huán)境惡化等。目前，國內(nèi)只有與數(shù)字土壤制圖相關(guān)聯(lián)的對于土壤制圖的相關(guān)標準，對于土壤制圖的相關(guān)標準有，GB/T32738-2016、GB/T36501-2018、GB/T41475-2022，這些標準側(cè)重于圖例的渲染，地圖符號的設(shè)計等，不能完全滿足當前對于土壤屬性分析的需求，目前對于土壤屬性預測還沒有現(xiàn)行的標準，缺少專門同于土壤屬性預測的標準，而不是基于地圖學的地圖符號的設(shè)計。2.3主要內(nèi)容按照我國標準方法編制的規(guī)范，本標準涉及的主要內(nèi)容包括：應(yīng)用范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語及定義、制圖原則、數(shù)字土壤專題圖分類編碼、數(shù)據(jù)準備、土壤屬性預測性制圖過程、制圖結(jié)果質(zhì)量控制、元數(shù)據(jù)表附錄，具體內(nèi)容請參考標準工作組編寫的《數(shù)字土壤制圖土壤屬性預測性制圖規(guī)范》的征求意見稿。2.4方法的驗證2.4.1驗證方案土壤圖的驗證指標根據(jù)土壤圖的不同而有所差異。對于土壤類型來說，主要通過混淆矩陣驗證分類的精度，混淆矩陣包含有總體精度、生產(chǎn)者精度、用戶精度以及每種土壤類型的精度等，這些精度指標從不6同側(cè)面反映了分類的精度。對于土壤屬性圖來說，驗證指標主要為平均絕對誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)和決定系數(shù)等。方法的驗證要求參加單位嚴格按照工作組初稿中規(guī)定的方法草案，使用不同的預測模型來預測中國的土壤有機碳的空間分布圖，根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)字土壤制圖預測模型結(jié)果與第三方的數(shù)據(jù)集（SDCLSM和SoilGrids）進行驗證和精度比對，比較哪一種方法的精度高。2.4.2驗證樣品的選擇數(shù)據(jù)來源：2010年收集的全國土壤數(shù)據(jù)圖，中國大陸0-5cm，5-15cm，15-30cm，30-60cm和100-200cm深度的土壤有機碳（SOC）。用于驗證精度的第三方數(shù)據(jù)集的選擇，樣本的詳細情況請見表1、圖1。表1.預測方法預測方法種類SDCLSM歷史土壤數(shù)據(jù)集SoilGrids國際的現(xiàn)有的數(shù)據(jù)集VELM自行研究的方法WELM現(xiàn)有的數(shù)字土壤制圖7圖1土壤采樣點位信息2.4.3預測精度本研究利用不同的預測模型得到的結(jié)果進行精度對比分析，比較出精度最高的方法。見表2和圖預測結(jié)果表明：（1）VELM的預測方法模型相對于其他方法預測精度更高。（2）兩種模型的總體R2值在0.16-0.57，且隨深度的增加而減小。經(jīng)獨立驗證，表層土壤有機碳預測(<30cm)的R2值為0.41-0.57，并在每個氣候帶分別對生成的土壤圖進行了評價。驗證結(jié)果表明，即使WELM和VELM的整體性能幾乎相同，所提出的VELM也利用了每個氣候區(qū)的三個單獨模型的最優(yōu)結(jié)果，并將預測結(jié)果提高了12.6%。8圖2.基于獨立驗證的有機碳濃度(gkg-1)預測精度R29表2各模型預測精度（VELM:基于投票的集成學習模型;WELM:加權(quán)集成學習模型）VELM05WELM515VELM515WELM1530VELM15303標準中涉及專利的情況4預期達到的社會效益等情況土壤屬性預測是量化土壤屬性空間變化、制作土壤空間分布圖的重要手段。目前在一些偏遠或難以到達的地區(qū)，地面實測數(shù)據(jù)可能不足，影響制圖精度。數(shù)據(jù)更新周期長，難以反映土壤屬性的實時變化也是目前的不足之處。除此之外，現(xiàn)有的土壤預測模型可能無法適用于所有地區(qū)和環(huán)境條件，導致很多模型預測結(jié)果誤差較大。通過制訂《數(shù)字土壤制圖土壤屬性預測性制圖規(guī)范》，可以為土壤中的各屬性的預測提供規(guī)范化的標準方法。該標準一經(jīng)發(fā)布實施，將會被科研院所、大專院校、和相關(guān)部門廣泛采用，將會促進土壤資源的可持續(xù)利用，保障國家糧食安全和生態(tài)安全，對土壤科學意義，具有顯著的社會效益。5采用國際標準和國外先進標準的情況目前國內(nèi)外尚未有土壤屬性預測的標準，本標準水平屬國際先進水平。6與現(xiàn)行法律、法規(guī)、標準的協(xié)調(diào)性本標準的制定符合《中華人民共和國標準化法》和《國家標準管理辦法》。目前我國沒有和《數(shù)字土壤制圖土壤屬性預測性制圖規(guī)范》相關(guān)的國家標準和行業(yè)標準。標準的格式和表達方式等方面完全執(zhí)行了現(xiàn)行的國家標準和有關(guān)法規(guī)，符合GB/T1.1的有關(guān)規(guī)定。與現(xiàn)行的法律、法規(guī)無沖突。7重大分歧意見的處理經(jīng)過和依據(jù)無8標準性質(zhì)的建議說明根據(jù)標準化法和有關(guān)規(guī)定，建議本標準的性質(zhì)為推薦性國家標準。9對標準貫徹的建議《數(shù)字土壤制圖土壤屬性預測性制圖規(guī)范》提供了土壤屬性預測制圖的標準方法。該標準方法的實施可為掌握土壤屬性以及土壤變化趨勢以及生態(tài)環(huán)境的防治提供重要的方法學支撐。實施前應(yīng)充足供應(yīng)標準文本，使科研院所、大專院校和環(huán)保單位等標準的使用部門能及時獲得標準文本，這是保證標準貫徹實施的基礎(chǔ)。實施后，建議由中國科學院南京土壤研究所，聯(lián)合其他相關(guān)機構(gòu)針對標準的使用對象，有重點地進行標準的培訓和宣貫，同時提供技術(shù)咨詢，以保證標準的貫徹執(zhí)行。建議標準實施期為6個月。10其他應(yīng)于說明的事項11參考文獻[1]張甘霖,朱阿興,史舟,等.土壤地理學的進展與展望[J].地理科學進展,2018,37(01):57-65.:1442-1444.[2]朱阿興,楊琳,樊乃卿,等.數(shù)字土壤制圖研究綜述與展望[J].地理科學進展,2018,37(01):66-78.[3]黃魏,羅云